专利名称：一种分布式光纤温度传感测量装置和方法
技术领域：
本发明涉及一种光纤温度传感测量装置和方法，尤其是一种具有点式测温功能的 分布式光纤温度传感测量装置和方法。
背景技术：
分布式光纤温度传感系统是一种基于OTDR技术和拉曼散射技术的新型的实时、 分布式测量系统。分布式光纤温度传感装置目前已经广泛应用于公路交通隧道、高压电缆 沟、地铁等领域。目前，一种广泛使用的分布式光纤温度传感装置，包括光源模块、分光模块、探测 模块、参考单元和传感光缆。其中参考单元包含一段参考光纤，参考光纤的温度可以是恒定 的，也可以是实时测量的；参考单元置于装置内部，为温度测量提供一个参考值，进而对温 度实际测量信号进行标定，可消除光源功率波动的影响。由于传感光缆安装于户外，工作环境比较恶劣，其光学衰减特性会随时间缓慢变 化，从而影响分布式温度测量的准确性。另外，分光模块和光源模块长期可靠性也会影响温 度测量的准确性。因此，分布式光纤温度传感装置需要一种简单的、可经常性的校准装置， 以保证测量的准确性。一般的，分布式光纤温度传感装置每隔一定周期O 3年)进行一 次校准。校准时需要将一部分传感光缆置于已知温度的水浴箱内加热。如申请号为CN200810042196. 5的专利，参考光纤设置在恒温箱内，当需要标定装 置的温度时，数据处理器控制温度控制模块把恒温箱内的温度调整到标定的温度，计算机 显示的在恒温箱内参考光纤的对应温度值即被调整为恒温箱内温度的值。但由于传感光缆 均安装在户外，比如在交通隧道应用的分布式光纤温度传感装置，其传感光缆敷设在距隧 道拱顶约IOOmm处，距离地面的高度接近7m，不容易对其加热校准。而且常规的水浴箱校准 方式不能进行实时在线校准，影响分布式光纤温度传感装置的可靠性。另外，对于某些应用场合，如，一些特殊或者关键部位需要更高的温度测量精度 (短受热区域)，或需要提高温度测量的响应时间，仅有分布式测温功能无法满足应用需 求比如，在电力应用领域，需要对高压电缆和开关柜同时监测；对于线型的高压电缆 进行过热监测时，采用分布式测温能够有效避免测量盲区，从而实现对高压电缆的完全监 测；而对于高压开关柜的温度监测，主要是监测开关柜内部的母排、触点处的温度，待测区 域比较小，在该待测区域敷设传感光缆不方便，且传统的分布式光纤温度传感系统的温度 测量准确性受空间分辨率的限制，对于待测区域较小的监测点的温度监测不准确；又如，对于长距离的公路交通隧道，采用分布式光纤温度传感系统能够实现对测 量区域火情的全面监测；但若隧道内某处着火，由于纵向风速的影响，传感光缆的受热点会 发生漂移，传感光缆的温度响应时间会滞后，导致系统得到的是受热点漂移后的着火点位 置；使系统对着火点位置的定位不准确，不能及时反映监测区域的温度变化，延迟了对火灾 的响应时间，影响了温度测量的准确性和及时性。
发明内容
为了解决现有技术中的上述不足，本发明提供了一种能够在线实时修正测量结果 的分布式光纤传感测量方法及装置。为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案一种分布式光纤温度传感测量装置，包括测量主机、传感光缆，所述测量主机包括 激光器、分光模块、探测模块和分析单元，其特点是在所述传感光缆上设置温度传感器；所述分光模块，用于分别将沿传感光缆传输的散射光和温度传感器的反射光/透 射光滤出，并通过探测模块传递给单元；所述分析单元，用于根据所述散射光的信息得出分布式温度测量数据；根据所述 反射光/透射光的信息得出点式温度测量数据。进一步，所述分析单元包括校准模块，用于根据分布式温度测量数据及点式温度 测量数据对分布式温度测量数据进行校准。进一步，所述激光器的波长调谐范围覆盖温度传感器反射峰的漂移范围。或所述激光器的波长在温度传感器吸收谱变化范围内。作为优选，所述反射光/透射光与所述散射光的测量光路相同，所述散射光为斯 托克斯光或反斯托克斯光或瑞利光或布里渊散射光。作为优选，所述温度传感器为光纤光栅。进一步，所述温度传感器的反射/透射波长相同或不同。作为优选，所述温度传感器设置在传感光缆的尾端。作为优选，所述测量主机还包括对激光器波长进行标定的标定模块，所述标定模 块分别与分光模块和探测模块相连。作为优选，所述标定模块为气体吸收盒或法布里-珀罗标准具或参考光纤光栅。本发明还提供了一种采用上述测量装置进行分布式光纤温度传感测量的方法，包 括以下步骤激光器发出的光沿传感光缆传输，探测模块接收沿传感光缆传输的散射光和温度 传感器的反射光/透射光；根据所述散射光，得出分布式温度测量数据；根据所述反射光/透射光，得出点式温度测量数据。进一步，所述测量方法还包括校准分布式温度测量数据的步骤。作为优选，所述校准分布式温度测量数据的步骤具体为Cl、根据分布式温度测量数据和点式温度测量数据得出修正参数；C2、根据分布式温度测量数据及修正参数，得到沿传感光缆敷设区内各测量点的 温度。进一步，实现分布式温度测量是基于拉曼散射效应和光时域反射OTDR技术、光 频域反射OFDR技术；或布里渊散射效应和光频域反射OFDR技术。进一步，在步骤B中，扫描激光器波长，根据温度传感器的反射谱/透射谱，得到点 式温度测量数据。
进一步，分布式温度测量与点式温度测量同时或分时进行。本发明与现有技术相比具有以下有益效果1、分布式测量功能与点式测量功能相结合在传感光缆上设置温度传感器，除了能够获得传感光缆的分布式温度测量数据 外，还能够提供温度传感器位置处的较精确的点式温度测量数据，满足一些特殊或者关键 部位高温度测量精度或者快速温度测量需求；2、在线温度校准，提高分布式温度测量的可靠性由于温度传感器与传感光缆连接在一起，能够提供一种在线温度校准功能，不需 要水浴箱等装置来加热传感光缆，使得温度校准简单、方便；而且通过点式精确温度测量，可实时校准分布式温度测量数据，提高了分布式光 纤测温装置的可靠性；同时，对激光器的波长进行标定，使在线温度测量更加精确，同时，提高了分布式 光纤测温装置的可靠性；3、结构简单，成本经济温度传感器的温度测量利用原有分布式光纤温度传感装置的光源和探测器，结构 简单，基本不增加温度传感装置的成本。
图1为实施侈1中测量装置的示意图2为实施侈1中测量主机结构示意图3为实施侈1中激光器波长与温度传感器吸收谱的关系图4为实施侈3中测量主机结构示意图5为实施侈，3中H13CN气体吸收盒的气体吸收谱图6为实施侈6中尾端光纤光栅反射信号与激光波长的关系图7为实施侈8中测量主机结构示意图8为实施侈10中测量装置的示意图9为实施侈14中温度传感器的吸收谱与激光波长的关系；
图10为实施列15中测量装置的示意图11为实施列15中与传感光缆尾端相连的测量主机结构示意图
具体实施例方式实施例1请参阅图1，一种分布式光纤温度传感测量装置，包括测量主机201、传感光缆和 一个温度传感器11 ；本实施例中，分布式温度测量基于自发拉曼散射效应和光时域反射 OTDR技术，传感光缆的长度为2km ；点式温度传感器11为光纤光栅温度传感器，安装在传感 光缆上；请参阅图2，所述测量主机201包括激光器21、分光模块22、探测模块、分析单元 24和参考光纤盒25 ；所述激光器21为波长扫描激光器；激光器的中心波长在800mA驱动电流时为1549. 5nm ；通过调节激光器的驱动电流或激光器的工作温度可实现对激光器中心波长的扫 描；在本实施例中，调节激光器的驱动电流对激光器的中心波长进行扫描；激光器的中心波长随驱动电流的漂移系数为O.Olnm/mA，激光器的驱动电流从 800mA以ImA的步长线性增加到920mA时，激光器的中心波长从1M9. 5nm以步长0. Olnm线 性增加到1550. 7nm ；所述分光模块22包括滤光片F1、滤光片F2和滤光片F3 ；所述分光模块22将沿传 感光缆传输的反斯托克斯光、斯托克斯光和温度传感器的反射光滤出并传递给探测模块， 其中滤光片Fl用于滤出温度敏感的背向反斯托克斯光信号，滤光片F2用于滤出温度不敏 感的背向斯托克斯光信号。本实施例中，所述滤光片F1、滤光片F2、滤光片F3的通带中心 分别对应背向反斯托克斯光的峰值波长(1446nm)、背向斯托克斯光的峰值波长(1660nm) 和温度传感器11的中心反射波长(1550nm)；探测模块包括探测器231、探测器232和探测器233，分别与滤光片F1、滤光片F2 和滤光片F3相连；所述探测器231、探测器232和探测器233均为InGaAsAPD探测器；所有 探测器均与分析单元M相连；所述分析单元M根据温度传感器的反射光得到点式温度测量数据；根据由斯托 克斯光和反斯托克斯光获得的分布式温度测量数据及所述点式温度测量数据得到修正参 数；所述分析单元M还包括校准模块Ml ；所述校准模块241根据所述分布式温度测 量数据及修正参数校准分布式温度测量数据，得到沿传感光缆敷设区内各测量点的温度；所述参考光纤盒25内包括参考光纤和温度探测器，所述参考光纤为裸光纤，所述 温度探测器为钼电阻，所述裸光纤的长度为150m;由于将参考光纤封装在参考光纤盒25 内，参考光纤盒25内的温度均勻分布；通过钼电阻实时测量参考光纤盒25的温度；用于标 定分布式温度测量时沿传感光缆传输的背向散射信号，可避免激光器光源功率波动等因素 对测量结果带来的影响；在进行分布式温度测量时，得到150m裸光纤上每一测量点对应的斯托克斯和反 斯托克斯光强，为避免电路固有噪声，将150m裸光纤上所有测量点的斯托克斯和反斯托克 斯光强进行平均，作为参考光纤盒的斯托克斯和反斯托克斯光强；所述温度传感器11为光纤光栅FBG，设置在传感光缆尾端并与传感光缆相连；所 述光纤光栅FBG采用金属管封装，所述光纤光栅FBG在20°C的中心反射波长为1550. 2nm ； 当光纤光栅FBG所处的外界环境温度发生变化时，其反射峰的位置会发生线性漂移，即外 界1°C的温度变化对应光纤光栅中心反射波长0. Olnm的漂移，则外界温度在_40°C 50°C 之间变化时，光纤光栅反射峰漂移范围为巧49. 6nm 1550. 5nm ；激光器的驱动电流从800mA以ImA的步长线性增加到920mA时，激光器的中心波 长从1M9. 5nm以步长0. Olnm线性增加到1550. 7nm，覆盖了温度传感器11的工作波段范 围；激光器的波长随驱动电流调谐时，光纤光栅FBG的反射信号是激光光谱与光纤光 栅反射谱的卷积，光纤光栅FBG反射信号与激光波长(或者激光器的驱动电流)一一对应， 如图3所示，即每个设定驱动电流对应一个激光波长，若激光波长与光纤光栅反射峰不重 合，则反射信号为零；若激光波长与光纤光栅反射峰恰好完全重合时，光纤光栅FBG反射信号最强；在本实施例中，激光器中心波长的扫描范围覆盖了光纤光栅的反射峰漂移范围，如 图3所示，能够保证系统根据激光波长推得光纤光栅FBG反射峰的漂移量。本实施例还提供了一种分布式光纤温度传感测量方法，包括以下步骤A、提供上述测量装置；在传感光缆上设置温度传感器11 ；B、温度测量以IOmin为一个基本测量周期，其中，9min用于分布式温度测量，Imin用于点式温 度测量；对分布式温度测量与点式温度测量的先后顺序不加限定如可以先进行分布式温 度测量，再进行点式温度测量，也可以先进行点式温度测量，再进行分布式温度测量；本实 施例是先进行分布式温度测量，再进行点式温度测量；温度测量具体步骤如下Bi、在时间0 9min内，进行分布式温度测量激光器21为脉冲驱动工作，驱动电流恒定为800mA，激光器21中心波长固定为 1549. 5nm ；激光器21发出的光经过分光模块22以后经参考光纤盒25直接入射到传感光缆 上；从参考光纤盒以及传感光缆传输的背向散射信号被滤光片Fl和滤光片F2滤出， 分别得到不同位置处温度敏感的反斯托克斯光和温度不敏感的斯托克斯光，并分别被探测 器231和探测器232接收，得到沿参考光纤盒以及传感光缆敷设区内各测量点对应的斯托 克斯光和反斯托克斯光光强；分布式温度测量的单次测量时间为30s，9min内可进行18次分布式温度测量，即 对于沿传感光缆敷设区域内的每一测量点，都对应18组斯托克斯和反斯托克斯光强；将 每一测量点对应的斯托克斯和反斯托克斯光强进行平均或取测得的最近一组即第18组斯 托克斯和反斯托克斯光强，得到相应测量点对应的实测斯托克斯和反斯托克斯光强Is(Z)、 Ia(Z)，ζ e
，L为传感光缆总长度2km ；其中，传感光缆尾端对应的斯托克斯和反斯托 克斯光强分别为Is(L)、Ia(L)；本实施例的Is(Z)、Ia(Z)为每一测量点对应的第18组斯托 克斯和反斯托克斯光强；将用钼电阻测得的参考光纤盒25的18组温度值进行平均或者取最近一次即第18 次温度测量值，得到参考光纤盒的实测温度值，记为Ttl，本实施例Ttl为第18次温度测量值； 将18组参考光纤盒的斯托克斯和反斯托克斯光强进行平均或者取最近一次即第18次测量 值，得到参考光纤(即传感光缆始端)的斯托克斯和反斯托克斯光强Istl和Iatl,本实施例Istl 和Iatl为参考光纤盒对应的第18次斯托克斯和反斯托克斯光强；B2、在时间9 lOmin，进行点式温度测量激光器的驱动电流从800mA线性增加到920mA，步长1mA，则激光器中心波长的调 节范围为1M9. 5nm 1550. 7nm，步长为0. Olnm ；根据加载到激光器上的驱动电流可以获得 激光器的波长值；激光器21发出的光经分光模块22后，直接入射到传感光缆上，并传输到设置在传 感光缆尾端的温度传感器11，温度传感器11对特定波长的激光反射，反射光沿传感光缆反 向传输，经分光模块22的滤光片F3滤出后被探测器233接收，进而由分析单元M得到温 度传感器11的反射谱；根据温度传感器11反射峰的漂移量，可以得到温度传感器11所在 位置处(即传感光缆尾端2000m处)的精确环境温度T(L)，作为点式温度精确测量值；
点式温度精确测量值可直接用于关键待测区域温度的测量，或者用于校准传感光 缆的损耗系数或者分布式温度测量值，即修正分布式温度测量数据；本实施例，点式温度用 于修正分布式温度测量数据；本实施例中，温度传感器11直接与传感光缆连接，其温度测量值即为传感光缆尾 端所处的环境温度，此时修正分布式温度测量数据的步骤具体为Cl、沿传感光缆敷设区内各测量点的修正参数Δ α 分析单元24将上述测得的Is(O)、Ia(O)、Is(L)、Ia(L) ,T(O)和T(L)传递给计算模块Ml，得出温度单位损耗系数差为
权利要求
1.一种分布式光纤温度传感测量装置，包括测量主机、传感光缆，所述测量主机包括激 光器、分光模块、探测模块和分析单元，其特征在于在所述传感光缆上设置温度传感器；所述分光模块，用于将沿传感光缆传输的散射光和温度传感器的反射光/透射光分别 滤出，并通过探测模块传递给分析单元；所述分析单元，用于根据所述散射光的信息得出分布式温度测量数据；根据所述反射 光/透射光的信息得出点式温度测量数据。
2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于所述分析单元包括校准模块，用于根 据点式温度测量数据校准分布式温度测量数据。
3.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于所述激光器的波长调谐范围覆盖温度传感器反射峰的漂移范围；或所述激光器的波长在温度传感器吸收谱变化范围内。
4.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于所述反射光/透射光与所述散射光 的测量光路相同，所述散射光为斯托克斯光或反斯托克斯光或瑞利光或布里渊散射光。
5.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于所述温度传感器为光纤光栅。
6.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于所述温度传感器的反射/透射波长 相同或不同。
7.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于所述温度传感器设置在传感光缆的尾端。
8.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于所述测量主机还包括对激光器波长 进行标定的标定模块，所述标定模块分别与分光模块和探测模块相连。
9.根据权利要求8所述的测量装置，其特征在于所述标定模块为气体吸收盒或法布 里-珀罗标准具或参考光纤光栅。
10.一种采用权利要求1 9任一权利要求所述的测量装置进行分布式光纤温度传感 测量的方法，包括以下步骤激光器发出的光沿传感光缆传输，探测模块接收沿传感光缆传输的散射光和温度传感 器的反射光/透射光；根据所述散射光，得出分布式温度测量数据；根据所述反射光/透射光，得出点式温度测量数据。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于所述测量方法还包括校准分布式温度 测量数据的步骤。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于所述校准分布式温度测量数据的步骤 具体为Cl、根据分布式温度测量数据和点式温度测量数据得出修正参数；C2、根据分布式温度测量数据及修正参数，得到沿传感光缆敷设区内各测量点的温度。
13.根据权利要求10所述的方法，其特征在于分布式温度测量是基于拉曼散射效应 和光时域反射OTDR技术、光频域反射OFDR技术；或布里渊散射效应和光频域反射OFDR技 术。
14.根据权利要求10所述的方法，其特征在于扫描激光器波长，根据温度传感器的反射谱/吸收谱，得到点式温度测量数据。
15.根据权利要求10所述的方法，其特征在于分布式温度测量与点式温度测量同时 或分时进行。
全文摘要
本发明涉及一种分布式光纤温度传感测量装置，包括测量主机、传感光缆，所述测量主机包括激光器、分光模块、探测模块和分析单元，其特征在于在所述传感光缆上设置温度传感器；所述分光模块，用于将沿传感光缆传输的散射光和温度传感器的反射光/透射光分别滤出，并通过探测模块传递给分析单元；所述分析单元，用于根据所述散射光的信息得出分布式温度测量数据；根据所述反射光/透射光的信息得出点式温度测量数据。本发明还提供了一种分布式光纤温度传感测量方法。本发明将分布式测量功能与点式测量功能相结合，还能进行在线温度校准，具有结构简单、成本低等优点。
文档编号G01K11/32GK102147297SQ201010597369
公开日2011年8月10日 申请日期2010年12月10日 优先权日2010年12月10日
发明者张艳辉, 涂勤昌 申请人:无锡聚光盛世传感网络有限公司, 聚光科技(杭州)股份有限公司